ボロメータ

ボロメータとは



ボロメータ（bolometer）は、入射する電磁波などの放射エネルギーを、温度に依存する電気抵抗を持つ物質が受ける熱を通して計測する観測機器です。1878年にアメリカの天文学者サミュエル・ラングレーによって発明されました。名前の由来は、光線を放り投げるという意味のギリシャ語「βολή」に由来します。元々は熱量計として使用されていましたが、低温物理学においてなくてはならない存在となっています。

ボロメータの原理



ボロメータは、吸収材（金属薄膜など）と熱浴（定温物体）で構成されています。放射が吸収材に入射すると、そのエネルギーによって吸収材の温度が上昇します。この温度変化を、抵抗温度計や吸収材自体の抵抗値の変化として測定します。温度変化の速さは、吸収材の熱容量と熱浴との間の熱コンダクタンスによって決まります。

金属ボロメータは通常、冷却なしで使用されますが、半導体や超伝導体を用いることで低温動作が可能となり、感度を大幅に向上させることができます。ボロメータは、光子だけでなく、イオン化された粒子や電気的に中性な粒子、未知の放射（ダークマターなど）など、あらゆる放射を検出できますが、放射の種類を区別できないという短所もあります。

ボロメータの種類と応用



ラングレーのボロメータ



ラングレーが最初に開発したボロメータは、すすで覆われた2枚の白金片でできており、片方を放射にさらし、もう片方を遮蔽することで温度差を測定しました。このボロメータは、遠く離れた場所からの熱放射を検出できるほど高感度でした。ラングレーはこの機器を使って、電磁波のスペクトルを調べ、様々な原子や分子の吸収線を発見しました。

天文学への応用



ボロメータは、サブミリ波（200µm～1mm）領域で最も感度が高く、この波長帯を用いる天文学観測に不可欠です。特にハーシェル宇宙望遠鏡やジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡などの観測機器に搭載されています。最高の感度を得るためには、絶対零度に近い極低温（50～300mK）まで冷却する必要があります。

素粒子物理学への応用



素粒子物理学では、ボロメータは粒子検出器として使用されます。光だけでなく、あらゆる放射エネルギーを検出できる点が特徴です。しかし、極低温での運用が必要なため、実用化は1980年代になってからです。

マイクロボロメータ



マイクロボロメータは、MEMS技術を用いて作られた微小なボロメータで、主に赤外線カメラの撮像素子に使用されています。酸化バナジウムやアモルファスシリコンなどの感熱素子をシリコン基板上に格子状に配置し、赤外線による抵抗値の変化を測定することで温度分布を画像化します。市販の赤外線カメラでは、マイクロボロメータが広く用いられています。

ホットエレクトロンボロメータ



ホットエレクトロンボロメータ（HEB）は、絶対温度数度以下の極低温で動作するボロメータです。金属内の電子系がフォノン系と弱く結合していることを利用し、放射によって電子系が加熱される現象を検出します。HEBは電子温度の変化を測定し、放射エネルギーを計測します。

マイクロ波計測



ボロメータは、マイクロ波帯の放射束も検出できます。マイクロ波が抵抗素子を加熱し、その抵抗値の変化を測定することでマイクロ波の強さを計測します。最近では、グラフェンベースのマイクロ波ボロメータを用いて、単一光子レベルのマイクロ波検出が実現されています。

誘導装置への応用



第二次世界大戦中、日本で開発されたケ号爆弾には、赤外線を検出するためにボロメータが採用されていました。これは、ボロメータが赤外線誘導装置の要素として利用されていた一例です。

まとめ



ボロメータは、放射エネルギーを熱に変換し、温度変化を電気抵抗の変化として測定するというシンプルな原理に基づいた観測機器です。しかし、その応用範囲は非常に広く、天文学、素粒子物理学、赤外線カメラ、マイクロ波計測など、様々な分野で活用されています。特に近年では、MEMS技術の進歩により、マイクロボロメータの実用化が進み、より身近な存在になってきています。また、ホットエレクトロンボロメータなどの新しい技術も開発されており、今後の発展が期待されます。

参考文献



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